研究簡介:光合作用是地球上生命存在和生物地球化學(xué)循環(huán)的基礎(chǔ)過程之一，它在河流系統(tǒng)中對碳和氮的循環(huán)具有顯著影響。在海洋環(huán)境中，光合作用主要由浮游微藻進(jìn)行，而在河流中，沉積物表面的微生物墊和附著在石頭上的生物膜也扮演著重要角色。這些微生物墊是密集的微生物群落，具有高代謝速率，這得益于微生物群落的密集性和有機(jī)碳及營養(yǎng)物的高可用性。微生物墊中的光合微生物不僅為河流生態(tài)系統(tǒng)提供有機(jī)碳和氧氣，還接收來自上覆水體的有機(jī)碳和營養(yǎng)物。盡管微生物墊的厚度通常只有幾毫米，但微生物墊內(nèi)的微生物過程表現(xiàn)出垂直分帶現(xiàn)象。微電極技術(shù)的應(yīng)用使得科學(xué)家能夠以高空間分辨率研究這種微區(qū)域化現(xiàn)象，并揭示了微生物墊中氧氣呼吸、硝化作用和硫酸鹽還原等過程。河流系統(tǒng)中的光合作用導(dǎo)致沉積物中氧氣和有機(jī)碳濃度的增加，進(jìn)而影響沉積物中的微生物過程。盡管光合作用區(qū)的厚度通常小于1毫米，但由于光的穿透性有限，該區(qū)域的光合速率非常高。微電極測量顯示，在藍(lán)細(xì)菌墊和天然生物膜中存在高光合速率。此外，光、氧氣濃度和溫度等因素都會影響藍(lán)細(xì)菌墊中的光合活動。河流流經(jīng)城市地區(qū)時，會接收到來自周邊土地的人為輸入，如有機(jī)碳、氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)。在河口區(qū)域，由于潮汐的影響，物理和化學(xué)因素（如陽光、有機(jī)碳和營養(yǎng)物的濃度、流速和鹽度）會發(fā)生多種變化，這些變化以及養(yǎng)分的滯留可能會影響沉積物中的微生物光合作用和其他微生物過程。因此，與非潮汐區(qū)相比，潮汐區(qū)沉積物中的微生物過程可能在空間和時間上表現(xiàn)出更大的動態(tài)變化。

本研究聚焦于日本八戶市新田河潮汐區(qū)沉積物中的凈光合作用活動，并探討了光強(qiáng)度對微生物過程微區(qū)域化的影響。使用微電極進(jìn)行了沉積物中O2、NH4+、NO2、H2S和pH濃度剖面的實驗室測量，以及凈光合速率和總光合速率的測量，究了這些環(huán)境因素如何影響沉積物中的微生物過程，并評估了河水質(zhì)量和沉積物的環(huán)境條件。

Unisense微電極測定系統(tǒng)的應(yīng)用

使用不同型號的unisense微電極，包括氧氣（O2）、氨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硫化氫（H2S）和pH的微電極。其中氧氣微電極是克拉克型微電極，具有約15微米的尖端直徑和小于0.5秒的90%響應(yīng)時間。采用標(biāo)準(zhǔn)方法對上述微電極進(jìn)行校正。為了實現(xiàn)微電極測量，構(gòu)建了一個流動電池反應(yīng)器，尺寸為60(L)×10(W)×5(H)厘米。沉積物樣品被放置在反應(yīng)器中，微生物墊表面與反應(yīng)器底部對齊。在測量過程中，以平均流速2厘米/秒向反應(yīng)器供應(yīng)5.0升的介質(zhì)。光強(qiáng)度可以根據(jù)實驗需要進(jìn)行調(diào)整，以模擬不同的光照條件。微電極安裝在電動微操作器上，以實現(xiàn)精確的定位。以0.05-0.3毫米的間隔記錄了沉積物中的濃度剖面，從液體進(jìn)入沉積物。并且使用顯微鏡確定微生物墊的表面，實驗過程中使用鹵素?zé)籼峁┧璧墓庹铡?

實驗結(jié)果

通過微電極技術(shù)在日本八戶市新田河潮汐區(qū)的沉積物中以高空間分辨率確定了光合作用活性。光合作用發(fā)生在沉積物的上0.5毫米中。微電極測量表明，在沉積物的上5毫米中存在垂直的氧呼吸、硝化和SO4 2-還原的微分帶。隨著光強(qiáng)度的增加，沉積物中的凈光合作用率和氧氣滲透深度增加。因此，沉積物中發(fā)生的無氧微生物過程的位置和活動可能隨著太陽光強(qiáng)度的周期性波動而波動。

圖1、顯示了日本八戶市新井田河中采樣點(diǎn)（點(diǎn)1和點(diǎn)2）的地圖。

圖2、在點(diǎn)1的沉積物中的垂直截面中O2濃度的代表性二維等值圖。O2濃度是在10 mmol-photons/m2/s的光強(qiáng)度下測量的。右邊邊緣的數(shù)字表示O2濃度。通過顯微觀察確定的微生物墊表面用一條線表示。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

圖3、在點(diǎn)1的沉積物中的O2、NH4+、NO2、H2S和pH的平均穩(wěn)態(tài)濃度剖面。O2濃度是在10 mmol-photons/m2/s的光強(qiáng)度下測量的。誤差條代表測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。微生物墊表面在深度為0毫米處。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

圖4、在點(diǎn)1的沉積物中的平均穩(wěn)態(tài)O2濃度剖面（開放圓圈）和計算得到的凈氧產(chǎn)生和消耗速率（柱狀圖）。O2濃度是在10（A）、400（B）、1050（C）、1550（D）和1900（E）mmol photons/m2/s的光強(qiáng)度下測量的。誤差條代表測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。正值和負(fù)值分別表示氧氣產(chǎn)生和消耗速率。微生物墊表面在深度為0毫米處。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

圖5、在點(diǎn)1的沉積物中的平均總光合速率（填充圓圈）和計算得到的O2呼吸速率（開放圓圈）的剖面，在1900 mmol photons/m2/s的光強(qiáng)度下。誤差條代表測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差。正值和負(fù)值分別表示O2產(chǎn)生和O2呼吸速率。微生物墊表面在深度為0毫米處。微生物墊和沉積物分別用灰色區(qū)域和虛線區(qū)域表示。

結(jié)論與展望

本研究調(diào)查了日本八戶市新田河潮汐區(qū)沉積物表層內(nèi)的光合作用速率及其受光照調(diào)節(jié)的情況。unisense微電極系統(tǒng)允許研究人員以極高的空間分辨率（毫米級甚至更細(xì)）測量沉積物中的化學(xué)成分，這包括氧氣（O2）、氨（NH4+）、亞硝酸鹽（NO2-）、硫化氫（H2S）和pH值等關(guān)鍵參數(shù)。在沉積物中發(fā)現(xiàn)了氧氣呼吸、反硝化和硫酸鹽還原的微區(qū)化。當(dāng)光照強(qiáng)度超過1050毫摩爾光子/平方米/秒時，在潮汐區(qū)沉積物表面微生物墊上0.5毫米處檢測到凈光合活動。相反，在1900毫摩爾光子/平方米/秒時，在微生物墊上1.0毫米處檢測到總光合活動。隨著光照強(qiáng)度的增加，凈光合速率和氧氣滲透深度增加。在1900毫摩爾光子/平方米/秒時，最大凈光合速率和氧氣滲透深度分別為6.1毫摩爾O2/立方厘米/小時和2.2毫米。潮汐區(qū)微生物墊中的凈光合速率低于上游沉積物。通過人工光暗周期期間對微生物墊不同層中連續(xù)氧氣濃度測量的分析表明，對光照強(qiáng)度變化的光合活動響應(yīng)非?？欤◣酌耄?，微生物墊中的氧氣濃度在200秒內(nèi)變得穩(wěn)定。對河水中的物理和化學(xué)參數(shù)進(jìn)行的測量顯示，研究地點(diǎn)相對污染，陽光強(qiáng)度在時間上明顯波動。這些結(jié)果表明，沉積物中發(fā)生的原位微生物過程隨著陽光強(qiáng)度周期性波動而波動。微電極系統(tǒng)在本研究中是實現(xiàn)精確測量和深入理解沉積物中微生物過程的關(guān)鍵技術(shù)，它為評估環(huán)境因素對河流生態(tài)系統(tǒng)中微生物活動的影響提供了重要的實驗數(shù)據(jù)和見解。